Pojemnościowy dzielnik napięcia zyskują coraz większą popularność. Można je znaleźć w wielu projektach elektrycznych, między innymi w oscylatorach Colpittsa.

Zanim jednak zdecydujesz się na zastosowanie pojemnościowego dzielnika napięcia, musisz dokładnie zrozumieć, jak on działa.

W tym artykule zdefiniowano pojemnościowe dzielniki napięcia i zasadę działania dzielnika napięcia. Zapoznamy się także z różnymi schematami pojemnościowego dzielnika napięcia i nie tylko.

Co to jest pojemnościowy dzielnik napięcia?

Dzielnik napięcia

Źródło: Wikipedia

Pojemnościowy dzielnik napięcia to układ, który wykorzystuje różnicę potencjałów napięcia i dzieli ją na dwa, zachowując stały stosunek napięć.

Ponadto, dzielnik pojemnościowy zazwyczaj posiada parę kondensatorów ustawionych jeden za drugim.

Podstawowym zadaniem tego obwodu jest przypisanie różnych wartości napięcia do innych części obwodu zgodnie z prawem Ohma:

V=IR

Gdzie: V oznacza napięcie, I - prąd, a R - rezystancję.

Na przykład, gdy mamy zasilacz 12 V, umieszczamy w nim szeregowo cztery kondensatory (wszystkie o pojemności 1 µF). Kondensatory dadzą na wyjściu napięcie 6 V, czyli o połowę mniejsze niż 12 V.

Co to jest dzielnik napięcia?

Dzielnik napięcia

Źródło: Wikimedia Commons.

Przeciętnie napięcie wejściowe rozdziela się pomiędzy elementy, gdy kilka elementów obwodu jest połączonych szeregowo.

Podobnie, gdy kilka elementów obwodu połączymy równolegle, prąd również rozdzieli się na wszystkie elementy.

W związku z tym w obwodach równoległych stosujemy zasadę dzielnika prądu, a w obwodach szeregowych - zasadę dzielnika napięcia.

Reguła dzielnika napięcia, inaczej nazywana regułą dzielnika potencjału, odgrywa kluczową rolę w analizie obwodu, ponieważ pomaga nam obliczyć poszczególne napięcia elementów.

W zależności od tego, jakie elementy są używane w obwodzie, regułę dzielnika napięcia można podzielić na trzy kategorie.

Mianowicie;

 Indukcyjny dzielnik napięcia

 Pojemnościowy dzielnik napięcia

 Rezystancyjny dzielnik napięcia.

Przyjrzyjmy się bliżej każdej z nich.

Reguła dzielnika napięcia dla obwodów rezystancyjnych

Aby zrozumieć zasadę opornościowego dzielnika napięcia, posłużymy się obwodem z parą oporników połączonych szeregowo ze źródłem napięcia.

Ponieważ oporniki są połączone szeregowo, przez oba przepływa podobna ilość prądu.

Rezystory

Oporniki mają jednak przeciwne napięcie; napięcie wejściowe obwodu rozdziela się na parę oporników. Ponadto opór bezpośrednio wpływa na ilość poszczególnych napięć.

Poniżej przedstawiono obwód, który można wykorzystać do lepszego zrozumienia:

Obwód rezystancyjny

Na powyższym schemacie obwodu widać, że rezystory R1 i R2 są połączone szeregowo z VS (źródłem napięcia). Źródło napięcia dostarcza prąd o natężeniu całkowitym 1 ampera.

Projektant połączył jednak wszystkie elementy szeregowo, dzięki czemu powstanie pętla, a prąd płynący przez nią pozostanie stały i będzie wynosił 1 amper.

Aby obliczyć sumę napięć, można skorzystać z następującego wzoru

V

S

 = 

V

R

1

 + 

V

R

2

 ... (1)

Gdzie,

VR1 przedstawia napięcie przez rezystor R1, a VR2 napięcie przez rezystor R2. Ponadto całe dostarczone napięcie rozdziela się między te dwa rezystory. Dlatego sumę napięć można uzyskać, dodając VR1 i VR2.

Zgodnie z prawem OHMsa; 

VR1= IR1+IR2.... (2)

Zatem z równań (1) i (2);

 VS= IR1+IR2

VS= I(R1+R2)

Następnie umieść wartość z pierwszego prądu w równaniu (2)

VR1 = IR1

Analogicznie

VR2 = IR2

Zatem zasada dzielnika napięcia w obwodzie rezystancyjnym jest sprzeczna z zasadą dzielnika prądu.

Reguła dzielnika napięcia w obwodach indukcyjnych

Gdy w obwodzie połączymy trzy lub więcej cewek indukcyjnych w sposób szeregowy, prąd płynący przez cewki pozostaje stały. Mimo to napięcie źródłowe rozchodzi się do wszystkich cewek.

Induktory

Dlatego do obliczenia wartości napięcia w poszczególnych cewkach indukcyjnych można wykorzystać zasadę dzielnika napięcia.

 Obwód indukcyjny 

Na powyższym schemacie konstruktor połączył obie cewki L1 i L2 w sposób szeregowy. Dodatkowo VL1 przedstawia napięcie przez L1, a VL2 napięcie przez L2. VS oznacza napięcie zasilania.

Aby znaleźć VL1 i VL2, należy skorzystać z zasady dzielenia napięcia przez induktor. Jak już wiesz, równanie na napięcie cewki indukcyjnej ma postać;

Gdzie Leq równa się sumarycznej indukcyjności obwodu. W naszym przykładowym obwodzie inżynier elektryk połączył cewki szeregowo. Dlatego suma indukcyjności jest kombinacją tych dwóch indukcyjności;

Leq = L1+ L2

Z równania (3);

Napięcie przez cewkę indukcyjną L1 wynosi;

Podobnie, napięcie przez wzbudnik L2 wynosi;

Można więc stwierdzić, że zasada dzielenia napięcia induktora jest podobna do zasady dzielenia napięcia rezystorów.

Reguła dzielnika napięcia dla obwodów pojemnościowych

Aby obliczyć regułę dzielnika napięcia dla kondensatora, skorzystajmy z poniższego schematu.

A Obwód pojemnościowy

Gdzie;

Inżynier umieścił parę kondensatorów szeregowo z VS, napięciem źródłowym. Następnie napięcie źródłowe rozdziela się na dwa. Jedno przechodzi przez kondensator C1, a drugie przez kondensator C2.

Kondensatory 

Ponadto VC1 reprezentuje napięcie przez kondensator C1, a VC2 - napięcie przez kondensator C2.

Zatem łączna pojemność wynosi

Suma ładunków dostarczanych przez źródło: Q = Ceq VS, co w istocie oznacza

Napięcie kondensatora C1;

VC1 = Q1/ C1

Napięcie kondensatora C2;

VC2 = Q2 / C2

Podsumowując, poszczególne napięcia na kondensatorze to stosunek pojemności przeciwnej pomnożony przez pojemność całkowitą i napięcie całkowite.

Wzór pojemnościowego dzielnika napięcia

Pojemnościowy dzielnik napięcia to układ wykorzystujący parę kondensatorów równoległych do wyjścia i połączonych z wejściem prądu przemiennego (AC).

Stosunek napięcia wejściowego i wyjściowego można obliczyć za pomocą następującego wzoru 

Vout/Vin = 1/ (1+CS/CP)

Gdzie;

CS oznacza całkowitą pojemność wszystkich kondensatorów połączonych szeregowo.

CP oznacza sumę pojemności każdego kondensatora połączonego równolegle.

Powyższy wzór dostarcza sygnał prądu zmiennego (AC) o wielkości zależnej od Vin z przesunięciem.

Jednak przesunięcie to różni się w zależności od pojemności CS lub CP.

Schemat obwodu pojemnościowego dzielnika napięcia

 Obwód pojemnościowego dzielnika napięcia AC

Wzór XC= 1/ (2πfc) określa podział napięcia przez poszczególne kondensatory w obwodzie pojemnościowego dzielnika napięcia.

Aby jednak obliczyć ilość napięcia przypisanego do kondensatorów w obwodzie, należy najpierw obliczyć impedancję kondensatora. Można to zrobić, korzystając z podanego wyżej wzoru.

Po obliczeniu impedancji można skorzystać ze wzoru OHMs, aby poznać wartość napięcia przepływającego przez każdy kondensator.

Na przykład:

Pojemnościowy obwód dzielnika napięcia przemiennego

W powyższym obwodzie znajdują się dwa kondensatory i napięcie zasilające 120 V AC, co oznacza, że napięcie będzie płynąć do obu kondensatorów. Pamiętaj, że kondensatory są w układzie szeregowym.

Możesz teraz skorzystać z prostego dzielnika napięcia, aby poznać przypisane napięcie, gdzie kondensator 1μF otrzyma dwa razy większe napięcie.

Dlatego w naszym przypadku będzie to 80V, a kondensator 2μ otrzyma 40V.

Pojemnościowy obwód dzielnika napięcia stałego

W obwodzie dzielnika napięcia stałego napięcie jest dzielone zgodnie ze wzorem V=Q/C. Przy czym napięcie jest przeciwnie symetryczne do wartości pojemności kondensatora.

Zasadniczo kondensator o mniejszej pojemności otrzymuje wyższe napięcie. Z drugiej strony kondensator o większej pojemności będzie otrzymywał mniejsze napięcie.

Na przykład:

Pojemnościowy obwód dzielnika napięcia stałego

Powyższe obwody dostarczają napięcie stałe o wartości 15 V, co oznacza, że do pary kondensatorów popłynie napięcie 15 V. Napięcie popłynie do obu kondensatorów.

Napięcie będzie płynąć do obu kondensatorów tak, że po zsumowaniu będzie równe źródłu zasilania 15 V.

Zakładając, że kondensatory mają podobny ładunek, możesz obliczyć napięcie na podstawie wartości ich pojemności.

Biorąc pod uwagę, że wartość kondensatora 1μF jest równa połowie wartości kondensatora 2µF, napięcie pierwszego kondensatora będzie dwa razy większe niż drugiego.

Dlatego napięcie kondensatora 1μF będzie wynosić 10 V, a napięcie kondensatora 2µF - 5 V.

Zalety i wady pojemnościowego dzielnika napięcia

Dzielniki napięcia są pomocne, ale tak jak wszystkie inne wynalazki mają wady i zalety. 

Zalety

 Minimalne straty ciepła

 Przystępna cena

 Pracują na prądzie stałym (DC) lub zmiennym (AC)

 Niski koszt instalacji

 Zależne od częstotliwości

Wady

 działa wyłącznie na lekkim prądzie przemiennym 

 Dość ciężki

 Przegrzanie obniża wydajność pracy

 Niektóre dzielniki napięcia są kosztowne w instalacji i działają tylko przy zasilaniu prądem przemiennym.

Zastosowania pojemnościowego dzielnika napięcia

 Jak już wspomniano, pojemnościowe dzielniki napięcia mają wiele zastosowań. Niektóre z nich to:

Dzielnik napięcia może obniżać napięcie i umożliwiać pomiar napięcia o wysokim poziomie.

Dzielniki napięcia w mikrokontrolerze ułatwiają pomiar rezystancji czujnika.

Mikrokontroler

Dzielnik napięcia działa jako przesuwnik poziomów logicznych przy łączeniu różnych napięć roboczych.

Podsumowanie

Po przeczytaniu tego artykułu mamy nadzieję, że udało nam się zdefiniować obwód dzielnika pojemnościowego i wyjaśnić zasadę działania dzielnika napięcia.

Najlepiej byłoby zrozumieć różne zalety i wady pojemnościowego dzielnika napięcia.

Jeśli potrzebujesz więcej informacji na ten temat, skontaktuj się z nami.